剪力墙结构设计在高层建筑中的应用

剪力墙结构设计在高层建筑中的应用

摘 要：本文系统的介绍了剪力墙结构的概念、分类；剪力墙计算要点、内力调整、边缘构件的设置；阐述了高层建筑中剪力墙结构、连梁的优化。

关键词：剪力墙结构；内力；边缘构件；高层建筑；连梁

一、剪力墙结构分析

（一）剪力墙概念

剪力墙结构是指由剪力墙组成的承受竖向和水平作用的结构。剪力墙是指在建筑结构中能够承载各种竖向荷载和水平荷载的一种墙体，它又被人们广泛的称之为抗风墙、抗震墙。剪力墙结构中墙体及连梁在发生地震的时候能够有效的吸收地震能量，防止墙体结构的剪力破坏。剪力墙结构整体性好、抗侧刚度适宜、技术成熟、经济性能优越，是目前高层建筑领域中被广泛采用的结构形式。

（二）剪力墙结构的条件

剪力墙结构中，剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置；抗震设计的剪力墙结构，应避免仅单向有墙的结构布置形式。剪力墙墙肢截面宜简单、规则。剪力墙结构的侧向刚度不宜过大。我们所说的剪力墙，主要是指普通剪力墙，墙肢长度与墙体厚度比值大于8的墙体。剪力墙结构在设计的过程中需要对于地震、风力等发生的等级和发生率提前进行勘察，根据实际情况来设计一个科学、合理的剪力墙结构体系，使得墙体结构能够承受一定的荷载和地震，不至于出现地震就造成倾斜和破坏影响。

剪力墙结构形式受到高层住宅建筑的青睐，它能够更合理的适应住宅建筑中房间的分割，布置比较灵活。在国内，剪力墙结构无论是设计还是施工技术，均已经比较成熟，已经是成为高层建筑结构形式中主力军。

（三）剪力墙结构的分类

剪力墙根据墙肢长度与墙厚的比值，分为短肢剪力墙、普通剪力墙。

短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8、厚度小于300mm的剪力墙；一般剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比大于8的剪力墙。高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。本文以下部分所说剪力墙结构均指普通剪力墙结构。

根据其平面形状又可分为一字型、L形、I形、[形、十字形及其他异形剪力

墙。

一字型剪力墙延性及平面外稳定均十分不利，抗震设计时，不宜采用一字型短肢剪力墙，不宜在一字型短肢剪力墙上布置平面外与之相交的单侧楼面梁；剪力墙结构宜采用L形、I形、[形、十字形剪力墙。

剪力墙的结构设计需要根据高层建筑的建筑结构及施工特点，是否开洞，及所开的洞的大小又可分为实体墙、整体小开口剪力墙、双肢及多肢剪力墙、壁式框架。实体墙：不开洞或开洞面积不大于 15％的墙。受力特点：如一个整体的悬臂墙。在整个高度上，弯矩图既不突变，也无反弯点，变形以弯曲型为主。整体小开口剪力墙：开洞面积大于15％但仍较小的墙。受力特点：弯矩图在连梁处突变，在整个墙胺高度上没有或仅仅在个别楼层才发生反弯点。双肢或多肢剪力墙：开洞比较大或洞口成列布置的墙。受力特点与整体小开口墙相似。壁式框架：洞口尺寸大，连梁线刚度与墙肢线刚度相近的墙。受力特点：弯矩图在楼层处发生突变，而且在大多数楼层中都出现反弯点。

二、剪力墙结构设计的计算要点

（一）计算的一般要求

1、高层混凝土剪力墙结构，主要考虑竖向荷载、风荷载、地震作用。竖向荷载包括构件的自重、楼屋面活荷载、雪荷载等。风荷载计算时，对风荷载比较敏感的高度大于60m的高层混凝土剪力墙结构，承载力设计时应按基本风压的1.1倍采用。对于平面形状不规则，立面形状复杂；立面开洞或连体建筑；周围地形和环境较复杂且高度大于150m及高度大于200m的高层混凝土剪力墙结构宜采用风洞试验来确定建筑物的风荷载。地震作用：甲类建筑应按高于本地区抗震设防烈度计算，其值应按批准的地震安全性评价结果确定；乙、丙类建筑应按本地区抗震设防烈度计算。地震作用的计算应符合《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）4.3节的要求。

2、高层混凝土剪力墙结构分析模型应根据结构实际情况确定。所选取的分析模型应能较准确地反映结构中各构件的实际受力状况。其结构分析，可选择平面结构空间协同、空间杆系、空间杆-薄壁杆系、空间杆-墙板元及其他组合有限元等计算模型。对结构分析软件的计算结果，应进行分析判断，确认其合理、有效后方可作为工程设计的依据。

3、体型复杂、结构布置复杂以及B级高度的高层混凝土剪力墙结构应采用至少两个不同力学模型的三维空间分析软件进行整体内力位移计算；抗震计算时，宜考虑平扭耦联计算结构的扭转效应，振型数不应小于15，对多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的9倍，且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%；应采用弹性时程分析法进行补充计算；宜采用弹塑性静力或动力分析方法验算薄弱层弹塑性变形。同时还应考虑施工过程的影响。

（二）计算中内力的调整

1、抗震设计的双肢剪力墙，其墙肢不宜出现小偏心受拉；当任一墙肢为偏心受拉时，另一墙肢的弯矩设计值及剪力设计值应乘以增大系数1.25。一级剪力墙的底部加强部位以上部位，墙肢的组合弯矩设计值和组合剪力设计值应乘以增大系数，弯矩增大系数可取为1.2，剪力增大系数可取为1.3。在抗震设计时，为实现强剪弱弯的设计原则，剪力设计值应由实配受弯钢筋反算得到，为了设计方便，底部加强部位剪力墙截面的剪力设计值，一、二、三级应按同时9度一级剪力墙应按确定，三级的其他部位及四级时可不调整。把计算组合的剪力乘以增大系数得到设计剪力。对于短肢剪力墙加强层以外的楼层，仍需乘以增大系数。

2、剪力墙结构连梁两端截面的剪力设计值V应作调整。非抗震设计及四级剪力墙的连梁，应分别考虑水平风荷载、水平地震作用组合的剪力设计值。一、二、三级剪力墙的连梁，其梁端截面组合的剪力设计值应按计算，9度一级剪力墙的连梁应按

确定。

三、剪力墙结构在高层建筑中的应用

（一）基本要求

1、对于剪力墙的墙体长度 ，结构中的墙肢长度宜小于 8m，这样既可以提高墙肢的延性，避免脆性破坏，同时也避免单片剪力墙承担的水平剪力过大。 当墙肢超过 8m 时，宜设置跨高比较大的连梁把长墙肢分成长度较均匀的若干墙段，各墙段的高度与墙段长度之比不宜小于3。

2、剪力墙结构抗震设计时，为保证剪力墙底部结构出现塑性铰后具有足够大的延性，应对可能出现塑性铰的部位加强抗震措施，包括提高其抗剪切破坏的能力，设置约束边缘构件等，即通常所说的底部加强部位。剪力墙两端和洞口两侧应设置边缘构件，一、二、三级剪力墙底层墙肢截面的轴压比大于下表1-1规定值时，以及部分框支剪力墙，应在底部加强部位及相邻上一层设置约束边缘构件。

（表1-1）剪力墙可不设约束边缘构件的最大轴压比

等级或烈度 一级(9度) 一级(6、7、8度) 二、三级

轴压比 0.1 0.2 0.3

约束边缘构件形式如图1-2,要求详《高规》。

其构造边缘构件不再赘述，具体详《高规》7.2.16条及《抗规》6.4.5要求。

3、在高层的建筑中，为了保证结构中剪力墙的抗侧刚度和功能稳定性，要控制剪力墙墙体的厚度。

（二）剪力墙连梁设计优化

在对连梁抗震性与非抗震性设计时，从跨高比上来分类主要有两种，分别是跨高比大于2.5与小于2.5两种，同时这也对受剪承载力与截面的配筋有着相应的规范要求。因此在对连梁设计时可以采用两种方式。

首先是在开始计算内力之前，要先折减连梁本身的刚度。其次是在计算内力之后，还需要在连梁的弯矩组合与剪力上乘以折减系数。在计算的时候还需要注意，无论采取哪种算法，在实际使用时都需要来确定相应的剪力和弯矩设计值，并且这个数值要比调整之后的数值要小。此外，在设计弯矩的时候，也要根据低于设防烈度一度地震组合值来获得，这样就可以保证在正常使用情况下，或者是出现多遇地震情况时，可以有效的预防裂缝，最终保证高层建筑的结构安全。

（三）高层混凝土剪力墙结构优化设计

1、建筑方案的要求，平面宜采用，方形、圆形等规则的简单、规则、对称平面，避免应力集中的凹角和狭长的缩颈部位；避免在凹角及端部设置楼电梯间；避免楼电梯间偏置，以免产生扭转的影响。不宜采用竖向收进过大及外挑大于4米的体型，侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续的建筑。要尽量采用落地剪力墙，不用或少用转换层结构。同时应按《高规》要求控制长宽比、高宽比等参数。

2、剪力墙布置要均匀，避免集中布置。剪力墙要尽量全部采用普通剪力墙，不用或尽量少的用一字墙和短墙肢。结构计算时，梁板的跨度采用经济跨度，附加荷载统计计算要准确。

综上，本文系统的介绍了剪力墙结构的概念、分类；剪力墙计算要点、内力调整、边缘构件的设置；阐述了高层建筑中剪力墙结构、连梁的优化。

参考文献

[1]JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S]

[2]GB50010-2010 混凝土结构设计规范[S]

[3]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S]

[4]李国胜.《怎样当好建筑结构设计专业负责人》2007.8

[5]郭兆伟.高层框架剪力墙结构抗震设计的技术要点分析[J].建材技术与应

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